DE10064440A1

DE10064440A1 - Verfahren und eine Vorrichtung zum Bearbeiten einer Innenfläche einer zylinderförmigen Bohrung eines Bauteils

Info

Publication number: DE10064440A1
Application number: DE10064440A
Authority: DE
Inventors: Rolf Heinemann
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2000-12-22
Filing date: 2000-12-22
Publication date: 2002-06-27
Anticipated expiration: 2020-12-23
Also published as: DE10064440B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bearbeiten einer Innenfläche (18) einer zylinderförmigen Bohrung (10) eines Bauteils, insbesondere eines Aluminium-Zylinderkurbelgehäuses einer Brennkraftmaschine, mit einer Legierungspulverzuführung (22), einer Umlenkoptik (12), die einen Laserstrahl (14) in die Bohrung (10) führt und auf eine Bearbeitungsstelle der Innenfläche der zylinderförmigen Bohrung (10) richtet, wobei die Umlenkoptik (12) um eine Zylinderlängsachse (20) der Bohrung (10) als Drehachse drehbar bzgl. der Bohrung (10) und verschiebbar in Richtung der Zylinderachse (20) zum Überstreichen eines vorbestimmten Bearbeitungsgebiets ausgebildet ist. Hierbei ist an der Umlenkoptik (12) ein Absaugrohr (28) derart angeordnet, daß eine Öffnung (30) des Absaugrohres (28) auf die zu bearbeitende Innenfläche (18) gerichtet mit dem Laserstrahl (14) mitläuft.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bearbeiten einer Innenfläche einer zylinderförmigen Bohrung eines Bauteils, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. 3.

Die für Zylinderkurbelgehäuse vorwiegend eingesetzten untereutektischen Aluminium- Silizium-Legierungen sind aufgrund des zu geringen Anteils der verschleißfesten Siliziumphase für die tribologische Beanspruchung des Systems Kolben-Kolbenring- Zylinderlaufbahn ungeeignet. Übereutektische Legierungen, z. B. die Legierung AlSil₇Cu₄Mg, besitzen einen ausreichenden Anteil an Siliziumkristalliten. Dieser harte, verschleißbeständige Gefügebestandteil wird durch chemische und/oder mechanische Bearbeitungsstufen gegenüber der aus dem Aluminiummischkristall bestehenden Matrix hervorgehoben und bildet einen erforderlichen Tragflächenanteil. Nachteilig wirkt sich jedoch die gegenüber den untereutektischen und naheutektischen Legierungen mangelhafte Vergießbarkeit, die schlechte Bearbeitbarkeit und die hohen Kosten für diese Legierung aus.

Eine Möglichkeit zur Umgehung dieses Nachteils ist das Eingießen von Laufbuchsen aus verschleißbeständigem Material wie z. B. Grauguß. Problematisch ist hier jedoch die Verbindung zwischen Buchse und Umguß, welcher alleine durch eine mechanische Verzahnung gewährleistet wird. Durch Einsatz eines porösen keramischen Buchsenwerkstoffs ist es möglich, beim Gießprozeß diesen zu infiltrieren und zu einer stofflichen Verbindung zu gelangen. Dazu ist eine langsame Formfüllung sowie die Anwendung von hohem Druck erforderlich, was die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens erheblich herabsetzt.

Alternativ werden unter- und naheutektischen Legierungen als galvanische Beschichtungen direkt auf die Laufbahnen aufgebracht. Dies ist jedoch teuer und tribochemisch nur ungenügend beständig. Eine weitere Alternative bilden thermische Spritzschichten, welche ebenfalls direkt auf die Laufflächen appliziert werden. Die Haftfestigkeit dieser Schichten ist jedoch aufgrund einer alleinigen mikromechanischen Verklammerung nur ungenügend.

Es wurde daher bereits vorgeschlagen, die Oberflächenmodifikationen Umschmelzen, Einlegieren, Dispergieren und Beschichten durch den Einsatz eines Lasers auszuführen, wie beispielsweise aus der DE 199 07 105, DE 39 22 378 A1, DE 196 43 029 A1 oder der EP 0 950 461 A2 bekannt. Hierbei wird üblicherweise ein zu bearbeitender Hohlkörper, welcher zylinderförmig mit einer rotationssymmetrischen Zylinderachse ausgebildet ist, ortsfest gehalten und eine Umlenkoptik für den Laserstrahl sowie eine Zuführung für Legierungspulver rotiert und gleichzeitig entlang der Zylinderachse vorgeschoben. Der auf die Oberfläche des zu bearbeitenden Körpers fallende Laserstrahl erzeugt an der Zylinderwand im Bereich einer Kolbenlauffläche ein Schmelzbad, in welches hier vorzugsweise Silizium oder andere Hartstoffe eingebracht werden, um eine verschleißfeste, tribologisch geeignete Lauffläche zu erhalten.

Ein besonderes Problem bei der Oberflächenbehandlung mit dem Laser liegt darin, den Vorgang derart zu steuern, daß sich eine gleichmäßige Schichtdicke ergibt.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der obengenannten Art zur Verfügung zu stellen, welche auf einfache und funktionssichere Weise eine gleichmäßige Schichtdicke bei der Oberflächenveredelung gewährleisten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren der o. g. Art mit den in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmalen und durch eine Vorrichtung der o. g. Art mit den in Anspruch 3 gekennzeichneten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Bei einem Verfahren der o. g. Art ist es erfindungsgemäß vorgesehen, daß mit dem Laserfokus eine Absaugung mitgeführt wird.

Dies hat den Vorteil, daß ein Partikelnebel von der Bearbeitungsstelle absaugt wird. Dies gewährleistet eine konstante Dicke der hergestellten Veredelungsschicht über die gesamte Bearbeitungsfläche, da der Partikelnebel nur eine fest vorbestimmte Zeit auf eine Bearbeitungsstelle einwirkt.

Zweckmäßigerweise wird die Absaugung dem Laserstrahl in einem vorbestimmten Abstand nachlaufend und/oder in Richtung einer Drehachse der Umlenkoptik bzgl. des Laserstrahls versetzt mitgeführt.

Bei einer Vorrichtung der o. g. Art ist es erfindungsgemäß vorgesehen, daß an der Umlenkoptik ein Absaugrohr derart angeordnet ist, daß eine Öffnung des Absaugrohres auf die zu bearbeitende Innenfläche gerichtet mit dem Laserstrahl mitläuft.

Dies hat den Vorteil, daß das Absaugrohr mit dem Laserstrahl rotiert und dadurch einen Partikelnebel von der Bearbeitungsstelle absaugt. Dies gewährleistet eine konstante Dicke der hergestellten Veredelungsschicht über die gesamte Bearbeitungsfläche, da der Partikelnebel nur eine fest vorbestimmte Zeit auf eine Bearbeitungsstelle einwirkt.

Zweckmäßigerweise ist das Absaugrohr derart angeordnet, daß deren Öffnung dem Laserstrahl um einen vorbestimmten Winkel nachläuft.

Zum vollständigen Erfassen des Partikelnebels, welcher unter Schwerkrafteinwirkung ggf. absinkt, ist die Öffnung des Absaugrohres bzgl. des Laserstrahls in Schwerkraftrichtung versetzt angeordnet.

Einen großen Wirkbereich der Absaugung erzielt man dadurch, daß die Öffnung des Absaugrohres als Trichter, Entenschnabel oder ähnliches ausgebildet ist.

Weitere Merkmale, Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, sowie aus der nachstehenden Beschreibung der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung. Diese zeigt in

Fig. 1 eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens in einem schematischen Längsschnitt und

Fig. 2 in einem schematischen Querschnitt.

Die in Fig. 1 dargestellte, bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Bearbeiten bzw. Beschichten einer Innenfläche 18 einer zylinderförmigen Bohrung 10 umfaßt eine in dieser angeordnete Umlenkoptik 12, welche einen Laserstrahl 14 in die Bohrung 10 führt und mittels eines Umlenkspiegels 16 auf die Innenfläche 18 der Bohrung 10 richtet. Mit 20 ist eine Umlenkoptiklängsachse der Umlenkoptik 12 bezeichnet, wobei diese Längsachse 20 mit einer Zylinderlängsachse der Bohrung 10 fluchtet. Sowohl die Bohrung 10 als auch ein wesentlicher Abschnitt der Umlenkoptik 12 sind rotationssymmetrisch um die Längsachse 20 ausgebildet.

In der Umlenkoptik 12 ist ferner eine Fokussierlinse 24 angeordnet. Nach Durchtritt des Laserstrahls 14 durch die Fokussierlinse 24 und Reflexion am Umlenkspiegel 16 trifft dieser auf die Innenfläche 18 der Bohrung 10, wobei die Fokussierlinse 24 derart angeordnet ist, daß sich ein Laserfokus 26 möglichst genau auf der Innenfläche 18 der Bohrung 10 befindet.

Mittels der in Fig. 1 dargestellten Anordnung erfolgt eine Oberflächenbehandlung der Innenfläche 18 der Bohrung 10 derart, daß der Laserstrahl 14 an einem Laserfokus 26 einen Abschnitt der Innenfläche 18 aufschmilzt, so daß ein Schmelzbad entsteht, und diesem Schmelzbad ein entsprechendes Legierungspulver 23 zugeführt wird. Mit 22 ist eine entsprechende Vorrichtung zum Zuführen von Legierungspulver 23, ggf. unter Zuhilfenahme eines Schutzgasstromes, bezeichnet. Je nach Intensität der Laserstrahles 14 wird nur eine Oberfläche der Innenfläche 18 aufgeschmolzen (Auftragsschweißen) oder eine vorbestimmte Eindringtiefe des Laserstrahles 14 in die Innenfläche 18 erzielt, so daß das Schmelzbad über eine vorbestimmte Strecke in die Innenfläche 18 hinein reicht (Auflegieren).

Die Bohrung 10 ist beispielsweise in einem ansonsten nicht näher dargestellten Aluminium-Zylinderkurbelgehäuse ausgebildet, wobei mittels der Laserbehandlung (Laser-Plasmabeschichtung) an der Zylinderwand 18 eine tribologisch geeignete Kolbenlauffläche mit entsprechend bzgl. reinem Aluminium höherer mechanischer Festigkeit hergestellt wird. Dabei wird beispielsweise eine Kolbenlauffläche mit Eintrag von Siliziumpulver hergestellt. Um eine entsprechende Fläche als Kolbenlauffläche herzustellen, muß der Laserstrahl 14 eine entsprechende Fläche bzw. ein entsprechendes Bearbeitungsgebiet an der Innenfläche 18 der Bohrung 10 überstreichen. Hierzu wird die Umlenkoptik 12 um die Achse 20 entsprechend gedreht, so daß der Laserstrahl 14 sukzessive andere Abschnitte der Innenfläche 18 der Bohrung 10 überstreicht. Zusätzlich zu der Drehung erfolgt ein entsprechender Vorschub der Umlenkoptik 12 in die Bohrung 10 hinein oder aus dieser hinaus, je nach Bearbeitungsrichtung.

Erfindungsgemäß ist an der Umlenkoptik 12 ein Absaugrohr 28 angeordnet, dessen Öffnung 30 der zu bearbeitenden Innenfläche bzw. Oberfläche 18 zugewandt ist. Die Öffnung 30 ist dabei in Richtung der Umlenkoptiklängsachse 20 nach unten, d. h. in Richtung der Schwerkraft, bzgl. des Laserstrahls 14 versetzt angeordnet. Wie aus Fig. 2 ersichtlich, ist das Absaugrohr 28 derart ausgebildet und an der Umlenkoptik 12 angeordnet, daß eine Absaugung durch die Öffnung 30 bzgl. der Bohrung 10 radial nach innen gerichtet ist. Bezüglich des Laserstrahls 14 ist jedoch die Öffnung 30 in Umfangsrichtung um einen Winkel α 32 derart versetzt, daß die Absaugung durch die Öffnung 30 dem Laserstrahl 14 bei Drehung der Umlenkoptik 12 nachläuft. Mit anderen Worten trifft auf einen bestimmten Bearbeitungsort zunächst der Laserstrahl 14 mit seinem Laserfokus 26 und führt eine entsprechende Bearbeitung der Oberfläche 18 mit Einbringung des Legierungspulvers 23 aus. Zeitlich versetzt dazu erfolgt an eben dieser Bearbeitungsstelle eine Absaugung eines durch die Bearbeitung entstehenden Partikelnebels 34.

Somit wird kurz nach der Herstellung einer Veredelungsschicht an der Innenfläche 18 der Partikelnebel 34 abgesaugt. Dadurch werden weitere Partikelanlagerungen an der Oberfläche 18 vermieden und eine definierte Kontaktzeit zwischen dem Partikelnebel 34 und der Oberfläche 18 sichergestellt. Dies führt zu einer konstanten Dicke der entstehenden Veredelungsschicht über den gesamten Bearbeitungsbereich.

Die Öffnung 30 ist beispielsweise trichterförmig, entenschnabelförmig oder ähnlich ausgebildet, um einen möglichst großen Wirkbereich der Absaugung über die Öffnung 30 zu erzielen. Zur Absaugung wird an dem Ansaugrohr 28 ein Unterdruck erzeugt, der Gas in der Umgebung der Öffnung 30 in das Absaugrohr 28 einsaugt. Hierbei wird der Partikelnebel 34 entsprechend mitgerissen und damit abgesaugt, ohne daß dabei die Oberflächenbearbeitung, beispielsweise ein Einlegierungsprozeß, beeinflußt oder beeinträchtigt wird. Aus Platzgründen ist in vorteilhafter Weise das Absaugrohr 28 an die Kontur der Umlenkoptik 12 angeformt.

BEZUGSZEICHENLISTE

10

zylinderförmige Bohrung

12

Umlenkoptik

14

Laserstrahl

16

Umlenkspiegels

18

Innenfläche

20

Umlenkoptiklängsachse

22

Vorrichtung zum Zuführen von Legierungspulver

23

Legierungspulver

24

Fokussierlinse

26

Laserfokus

28

Absaugrohr

30

Öffnung

32

Winkel α

34

Partikelnebel

Claims

1. Verfahren zum Bearbeiten einer Innenfläche einer zylinderförmigen Bohrung eines Bauteils, insbesondere eines Aluminium-Zylinderkurbelgehäuses einer Brennkraftmaschine, mit einem Laserstrahl, der mittels einer rotierenden Umlenkoptik in die Bohrung geführt und auf die Innenfläche der zylinderförmigen Bohrung gerichtet wird, wobei ein Grundwerkstoff der Oberfläche mit dem Laserstrahl an einem Laserfokus zu einem lokalen Schmelzbad aufgeschmolzen und ein Legierungspulver in das Schmelzbad eingebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Laserfokus eine Absaugung mitgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Absaugung dem Laserstrahl in einem vorbestimmten Abstand nachlaufend und/oder in Richtung einer Drehachse der Umlenkoptik bzgl. des Laserstrahls versetzt mitgeführt wird.

3. Vorrichtung zum Bearbeiten einer Innenfläche (18) einer zylinderförmigen Bohrung (10) eines Bauteils, insbesondere eines Aluminium- Zylinderkurbelgehäuses einer Brennkraftmaschine, mit einer Legierungspulverzuführung (22), einer Umlenkoptik (12), die einen Laserstrahl (14) in die Bohrung (10) führt und auf eine Bearbeitungsstelle der Innenfläche der zylinderförmigen Bohrung (10) richtet, wobei die Umlenkoptik (12) um eine Zylinderlängsachse (20) der Bohrung (10) als Drehachse drehbar bzgl. der Bohrung (10) und vorschiebbar in Richtung der Zylinderachse (20) zum Überstreichen eines vorbestimmten Bearbeitungsgebiets ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß an der Umlenkoptik (12) ein Absaugrohr (28) derart angeordnet ist, daß eine Öffnung (30) des Absaugrohres (28) auf die zu bearbeitende Innenfläche (18) gerichtet mit dem Laserstrahl (14) mitläuft.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Absaugrohr (28) derart angeordnet ist, daß deren Öffnung (30) dem Laserstrahl (14) um einen vorbestimmten Winkel (32) nachläuft.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung (30) des Absaugrohres (28) bzgl. des Laserstrahls (14) in Schwerkraftrichtung versetzt angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung (30) des Absaugrohres (28) als Trichter, Entenschnabel oder ähnliches ausgebildet ist.